Зашто су SiC керамичке плочице неопходне за полупроводничке дифузионе и оксидационе пећи

Како се процеси производње полупроводника и даље развијају ка већим величинама плочица, строжим термичким буџетима и нижим толеранцијама на дефекте, материјали који се користе унутар опреме за процесе на високим температурама постају све важнији. Међу овим кључним потрошним материјалима и структурним компонентама, керамичке плочице од силицијум карбида (SiC) појавиле су се као једна од најважнијих технологија у модерним системима дифузионих и оксидационих пећи.

У напредним окружењима за производњу полупроводника, они директно утичу на термичку униформност, генерисање честица, расподелу напона на плочици, стабилност процеса и, коначно, принос уређаја.

Посебно у производњи плочица од 300 мм, производњи енергетских полупроводника и производњи полупроводника треће генерације, чамци од силицијум-карбидних керамичких плочица брзо замењују традиционалне системе носача на бази кварца због својих супериорних термичких и механичких својстава.

Шта је чамац од силицијум-карбидне керамичке плочице?

Чамац за керамичке плочице од силицијум-карбида је високотемпературна структура за ношење плочица направљена од напредне керамике на бази силицијум-карбида. Њена примарна намена је безбедно подупирање и транспорт више полупроводничких плочица кроз вертикалне или хоризонталне системе пећи током операција термичке обраде.

Типичан чамац за плочице садржи више прецизно пројектованих слотова за плочице, дизајнираних да одржавају високо контролисан размак између плочица током обраде. У зависности од примене, структура може такође да укључује носеће греде, конзолне кракове, геометрије оптимизоване за проток ваздуха и лагане арматурне делове дизајниране да минимизирају топлотну масу.

У системима полупроводничких пећи, чамци за плочице ефикасно служе као интерфејс између плочица и окружења за термичку обраду. Како се димензије уређаја настављају смањивати ка чворовима напредне технологије, чак и микроскопске нестабилности унутар структуре носача плочице могу утицати на поновљивост процеса и перформансе у случају дефеката.

То је један од разлога зашто произвођачи напредних пећи све више усвајају керамичке компоненте од силицијум карбида високе чистоће уместо традиционалних система од фузионог кварца.

Улогаsу системима дифузионих и оксидационих пећи

Дифузија и оксидација остају међу најосновнијим термичким процесима у производњи полупроводника. Ови процеси се широко користе за активацију допанта, термички раст оксида, жарење, дифузију у уградњи и формирање диелектрика.

Типичне радне температуре крећу се од приближно 900°C до 1200°C, у зависности од хемије процеса и захтева уређаја. У неким напредним применама полупроводничких уређаја за снагу или SiC уређаја, термички циклуси могу прећи 1300°C.

Под овим условима, чамац за плочице мора да одржи димензионалну стабилност током продужених термичких циклуса, уз минимизирање контаминације и очување једноликог размака између плочица.

Традиционалне кварцне плочице се дуго користе у дифузионим пећима због своје високе чистоће и релативно ниске цене. Међутим, кварцни материјали показују релативно ниску топлотну проводљивост — обично око 1,4 W/m·K на собној температури.

Поређења ради, силицијум-карбидна керамика обично показује вредности топлотне проводљивости у распону од приближно 120 ~ 200 W/m·K у зависности од квалитета и микроструктуре.

Ова драматична разлика значајно побољшава уједначеност температуре кроз целокупно оптерећење пећи.

Већа топлотна проводљивост омогућава:

● Равномерније загревање плочице

● Смањени термички градијенти

● Побољшана конзистентност између плочица

● Мање акумулирање термичког напрезања

● Смањени ефекти ивица током оксидације или дифузије

У напредној производњи полупроводника, где се процесни прозори настављају сужавати, ова побољшања директно утичу на уједначеност филма и конзистентност електричних перформанси.

Чамчићи од SiC плочица такође пружају знатно већу механичку чврстоћу у поређењу са кварцним структурама. Ово постаје све важније у вертикалним системима пећи који обрађују велике серије плочица од 300 mm, где дужина чамца и механичко оптерећење могу постати значајни.

Смањена деформација помаже у очувању прецизног размака између плочица и стабилног понашања протока гаса током целог термичког циклуса.

Кључна физичка својства керамичких чамаца од силицијум-карбида

Растућа популарност чамаца од силицијум-карбидних плочица првенствено је последица јединствене комбинације термичких, механичких и хемијских својстава силицијум-карбидне керамике.

Кључне физичке карактеристике

Ова својства омогућавају силицијум-карбидним керамичким структурама да одрже димензионалну стабилност током дужег термичког циклуса, док традиционалне кварцне компоненте могу почети да омекшавају или деформишу.

Висока крутост силицијум карбида такође смањује вибрације и механичку нестабилност током утовара и истовара плочица у пећи.

Главне врсте материјала за чамце од силицијум-карбидних плочица

Модерни чамци од силицијум-карбидних плочица производе се коришћењем различитих технологија материјала, од којих је свака оптимизована за специфична процесна окружења и захтеве исплативости.

Рекристализовани силицијум карбид (RSiC) се широко користи у пећима на високим температурама због своје одличне чистоће и термичке стабилности. Процес производње RSiC-а не захтева додавање значајних количина помоћних средстава за синтеровање, што помаже у смањењу ризика од контаминације у полупроводничким окружењима.

Реакцијски синтеровани силицијум карбид (RBSC или RBSiC) нуди већу механичку чврстоћу и ниже трошкове производње. Међутим, преостали слободни силицијум у структури може смањити његову отпорност на корозију у одређеним корозивним процесним окружењима.

За напредне полупроводничке примене, CVD системи обложени графитом силицијум карбидом постају све чешћи. У овим структурама, графитна подлога пружа лагану механичку потпору, док премаз силицијум карбида високе чистоће добијен хемијским таложењем из паре (CVD) формира процесни интерфејс.

CVD силицијум карбидни премази се одликују изузетно ниским стопама стварања честица и изузетном чистоћом, што их чини веома атрактивним за производњу напредних логичких и енергетских полупроводника. Међутим, интегритет премаза и неусклађени коефицијенти термичког ширења морају се пажљиво контролисати како би се спречило пуцање или деламинација током поновљеног термичког циклирања.

Уобичајени изазови процеса

Упркос предностима у перформансама керамичких плочица од силицијум-карбида, оне се и даље суочавају са бројним инжењерским изазовима у стварним окружењима производње полупроводника.

Контаминација честицама остаје један од најкритичнијих проблема. Како се величине уређаја смањују, губици приноса узроковани честицама постају све озбиљнији. Чак и остаци субмикронске величине који настају услед микропукотина, деламинације премаза или деградације површине могу изазвати фаталне дефекте на напредним плочицама.

Пуцање услед термичког напрезања је још један дугогодишњи изазов. Иако силицијум карбид поседује одличну термичку стабилност, он остаје релативно крхки керамички материјал. Брзо загревање или локализована температурна неуједначеност могу довести до пукотина на структурним угловима, жлебовима плочице или пресецима греда.

Дуготрајни термички циклуси такође могу довести до постепене деформације или пузања, посебно код великих чамаца за плочице које се користе у вертикалним системима пећи. Чак и мање геометријске промене могу променити размак између плочица и једнообразност протока гаса, што утиче на контролу дебљине оксида и конзистентност расподеле допанта.

Деламинација CVD премаза је још једно критично питање поузданости у обложеним SiC системима. Пошто графитна подлога и SiC премаз показују различито понашање термичког ширења, поновљени циклуси високих температура на крају доводе до акумулације напона на међуфази.

Закључак

У системима пећи за дифузију и оксидацију полупроводника, керамичке плочице од силицијум-карбида играју кључну улогу у одржавању термичке стабилности, контроли контаминације и обезбеђивању униформности процеса у изузетно тешким условима рада. Њихова висока топлотна проводљивост, одлична механичка чврстоћа, отпорност на високе температуре и хемијска стабилност чине их све неопходнијим у напредној производњи полупроводника.

Како се технологије полупроводничких процеса стално развијају, постајући све сложеније, а захтеви за контролу дефеката све строжи, значај напредних система носача керамичких плочица ће само наставити да расте. У модерним фабрикама, многи изазови везани за контролу честица, термичку униформност и поузданост могу се у крајњој линији повезати са међусобним деловањем између понашања термичког циклуса, стабилности материјала и дизајна система носача плочица.

Сходно томе, чамци од силицијум-карбидних керамичких плочица брзо се развијају од помоћне опреме за пећи до критичних компоненти за производњу полупроводника следеће генерације.